增量式编码器和绝对式编码器之间的选择

作者：丹纳赫 Joel Jacobs

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 编码器可在各种应用中为运动提供反馈，例如将病人放在磁共振成像仪的适当位置或以每分钟300瓶的速度灌装饮料。在选择编码器时用户必须考虑一些至关重要的应用特性：是跟踪直线运动还是旋转运动？采用光学编码器还是磁性编码器？此外为成功实现专业应用，用户还应考虑是选择增量式编码器还是绝对式编码器——即使采用相同的传感机制，这两种编码器的性能也有巨大差异。为实现一个成功的应用系统您需要了解上述两种编码器的所有相关特性并做出正确选择。 顾名思义，绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置，而增量式编码器可以输出编码器从预定义的起始位置发生的增量变化。增量式编码器需要使用额外的电子设备（通常是PLC、计数器或变频器）以进行脉冲计数，并将脉冲数据转换为速度或运动数据，而绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号。综上所述，增量式编码器通常更适用于低性能的简单应用，而绝对式编码器则是更为复杂的关键应用的最佳选择——这些应用具有更高的速度和位置控制要求。输出类型取决于具体应用。 增量式编码器 当增量式编码器移动时，编码器会产生一个正比于轴旋转速度（旋转编码器）或运动距离（线性编码器）的二进制脉冲流。采用光学编码器时，放置在LED光源和光传感器之间的特定样式的码盘或直线码带可交替导通或阻断光束，由此产生模拟信号；然后额外电路（通常是板载ASIC）会将模拟信号转换为方波。磁性编码器可以采用多种机制运行，但都会旋转一个磁场，由此产生电压脉冲或可以转换为脉冲的电阻变化。 单通道增量式编码器只能输出单脉冲流，因此只能提供有限信息。根据编码器的分辨率，即旋转编码器每圈的脉冲数或线性编码器运动的运动距离（毫米/英寸），外部电子设备可以进行脉冲计数，并计算速度或相对某个参考坐标（起始位置）的轨道偏移，由此确定编码器位置。单通道设计为单向输送机系统等应用提供了出色的解决方案。 单通道编码器操作简单、牢固耐用且价格经济，但是它有一个重要缺陷，即无法确定运动方向。确定运动方向需要编码器具有更多输出（通常采用相位差为90°的双通道设计，实现通道“A”和通道“B”独立输出）。由于双通道编码器的信号输出具有2个上升沿和2个下降沿，因此有时也称为正交编码器。运动方向决定哪个通道先到达高电平，这使得处理器可方便地监控运动方向（参见图1）。操作人员可通过触发一个或两个通道的脉冲前沿和后沿提高编码器分辨率——最大可提高4倍。 正交编码器为具有挑战性的复杂应用提供了牢固耐用的解决方案。在高度振动的应用中，单通道编码器可能将一个相对于设定点的轴抖动产生的脉冲流误解为一个真实的位移，正交编码器则能够识别方向上的变化并忽略脉冲流或将其视为噪声而过滤掉。 增量式编码器还可以包含一个额外的通道，即索引通道（或称Z通道）。该通道可使旋转编码器或处于特定位置的线性编码器每圈产生一个脉冲（参见图2）。Z通道可以在启动时确定特定位置。在高速应用中，使用Z通道可以方便地指示单独的一圈，并由此计算转速。 增量式编码器一般只适用于简单应用，无论控制设备是计数器、PLC还是变频器，直接连接编码器和控制器即可。 选择编码器前您需要了解以下内容： 1. 您的应用的复杂程度？ 2. 您需要控制的参数（速度、位置、方向）？ 3. 如果断电，您可以承受返回初始位置导致的成本吗？ 4. 您的应用需要的性能水平（单圈脉冲数）？ 5. 编码器如何与系统中其他电子设备通讯？您的系统是否需要通过多种通讯种协议中的一种进行通讯？ 6. 您的应用是否是成本敏感型应用？ 绝对式编码器 增量式编码器的最大缺点是系统断电时（例如临时停电）它不会跟踪任何由编码器输出的增量变化。 因此，为了提供准确的位置数据，增量式编码器在启动时必须返回初始位置。对于输送机这样每晚都会停机，然后每天早上再重新启动的应用而言，增量编码器返回初始位置不会对应用造成影响。但是在汽车装配机械手臂等应用中，如果焊接座椅支架时断电，增量编码器返回初始位置会严重损坏产品和机械手臂。绝对式编码器是实现高可靠性应用的理想之选。 与增量式编码器不同，绝对式编码器不会输出脉冲，而是输出数字信号以指示编码器位置，并将编码器位置作为绝对坐标系中的静态参照点。因此，绝对式编码器在断电时仍然能够保存其绝对位置记录。重新启动后系统可立即恢复运动，无需返回初始位置。 绝对值型旋转编码器具有一个连接在轴上的码盘和一个固定光栅，允许系统为每一个行程点都生成一个唯一的二进制标识符（线性传感器工作原理与此类似，为简单起见，本文将重点介绍旋转编码器）。随着码盘旋转到固定光栅上，系统会定期读取标识符，将其作为多位数字信号输出。相关控制器或变频器可轮询编码器以捕获位置数据，并可直接利用这些数据或将其处理为速度信息。 光学编码器的固定光栅上具有交替的透明和不透明区，同样，码盘上也有透明和不透明区， 这就形成了一组码盘圈（ 码道），并在码道上形成辐射区（参见图3）；每一个码道都由一对不同的LED光源/光传感器读取。码盘位于固定光栅顶部，通常位于包含检测器矩阵和相关电子器件的传感专用集成电路(ASIC)上部。随着码盘旋转，码盘的透明区定期与固定光栅上的透明区重合，使光信号得以到达检测器并生成脉冲。码盘上每一个码道对应输出中的一个bit；码道数量为n时可生成2n个辐射位置。绝对式编码器的现行标准分辨率是12bit，或每旋转一圈生成4096个位置。此外某些型号的产品还可提供22bit（4.19 x 106个位置）或更高的分辨率。 磁性编码器工作原理与光学编码器类似。 某些应用涉及长距离运动，需使用多圈型码盘，此时，第2个码盘（或更多码盘）与主码盘啮合，跟踪主码盘的旋转数。每次主码盘旋转完毕后，第2个码盘都会进行索引，这种设计为索引码盘每圈中轴的位置都分配了一个唯一的坐标——最多4096圈。 采用绝对式编码器的应用通常都比较复杂，需要部署硬软件，以便与系统中其他电子设备（PLC、变频器等）交互。 增量式编码器VS绝对式编码器 没有适用于一切应用的编码器，您需要根据您的应用需求选择合适的编码器（参见下表）。增量式编码器易于集成和维护。在不太复杂的应用中成本是用户关心的主要问题，这时增量式编码器不失为最佳选择，增量式编码器常用于速度或速率监控，例如调节仓库或邮件分拣设施中输送机的线速度。根据应用是否需要控制运动方向，您可决定采用单通道增量式编码器还是正交编码器。 如上所述，绝对式编码器适用于安全问题至关重要、不允许编码器返回初始位置的应用，如高性能的数控机床应用。此外，该类型编码器还是返回初始位置会大幅增加作业时间或应用成本的应用的理想选择，例如在持续多天的分析中DNA测序仪供电中断，则系统需要可靠重启而不损坏精心培养的样品或影响分析结果。绝对式编码器支持在恢复供电时继续工作。由于绝对式编码器输出的是数字信号，因此能够兼容多种通讯协议和总线，包括BiSS、同步串行接口(SSI)、DeviceNet、Profibus、Modbus、CANopen以及其他基于以太网的众多通讯协议。 如果没有合适的反馈设备，即使采用世界上最好的定位部件也无济于事。根据应用特性，选择合适的编码器可实现理想的解决方案。原始设备制造商和机床制造商需要了解增量式编码器和绝对式编码器的各种特性，并将其与应用需求进行比较，由此可以按计划、按预算打造具有所需性能和使用寿命的产品或系统。 丹纳赫工业技术集团旗下Hengstler和Dynapar品牌，拥有50多年的编码器和电机反馈设计与制造经验，可提供全球最广泛的运动反馈控制编码器、旋转变压器产品及附件，一直为几乎所有重载、轻工业、伺服和工厂自动化应用提供创新型定制解决方案。创新产品，想你所想，并在你需要时随时交付，这就是Hengstler和Dynapar的卓尔不群之处。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/10/2013)